收藏本站
《中国科学技术大学》 2009年
收藏 | 手机打开
二维码
手机客户端打开本文

太阳风—磁层—电离层耦合的全球MHD数值模拟研究

彭忠  
【摘要】: 太阳风一磁层-电离层(SMI)系统的演化和系统内部的耦合过程,是空间天气学的关键问题之一。本论文运用全球MHD数值模拟,对SMI系统中的重要电动力学参数,即电离层越极电位、磁层顶重联电压和电离层1区场向电流进行定量研究。主要取得如下三方面的成果: 1.电离层越极电位和磁层顶重联电压的饱和现象 越极电位(V_(pc))一般定义为电离层电势的极大值和极小值之差,可通过地面雷达和空间卫星进行观测。以往的观测和全球MHD模拟研究表明,越极电位(V_(pc))随太阳风电场增强会发生饱和。太阳风和磁层的能量传输主要通过磁场重联实现,总重联率用重联电压(V_r)表征。与越极电位不同,重联电压无法通过直接观测确定,而只能通过MHD模拟进行计算。以往的模拟研究表明V_r也存在类似的饱和现象。本文通过大量模拟算例,就V_(pc)和V_r的饱和现象进行定量研究。在模拟中,我们假定电离层Pedersen电导均匀,Hall电导为零,行星际磁场(IMF)位于正南方向。每个算例由四个参数表征:Pedersen电导率∑_p,太阳风电场E_(SW),太阳风动压P_(sw)和阿尔芬马赫数M_A。通过对100多个算例的分析证明,V_(pc)和V_r不仅与E_(sw)有关,还随着P_(sw)的增加或M_A的减小单调增加;通过对全部算例的综合分析,找到一个综合参数f=E_(sw)P_(sw)M_A~(-1/2),发现V_(pc)和V_r可以用f和∑_p的函数近似拟合。这些函数分别为:V_(pc)=2.3×10~3(f+0.8)(∑_p+2)~(-1)/(f+8.2)和V_r=1.8×10~3[f+0.45(∑_p~(1/2)+1.2)](∑_p~(1/2)+0.45)-(-1)/(f+15.5),其中∑_p)、V~(pc)、V_r、E_(sw)和P_(sw)的单位分别为S,kV,kV,mV/m和nPa。基于上述拟合公式,我们得到以下三个结论:(1)V_(pc)和V_r都随f的增加而饱和,任何使得f增加的行星际参数变化都会诱发它们的饱和现象。(2)V_(pc)的饱和点为f_c=6.6,V_r的饱和点为f_c=14.4-0.9∑_p~(1/2),而∑_P则控制饱和值的高低。(3)由于共享同一个驱动源以及SMI系统内部的耦合作用,V_(pc)和V_r表现出类似的饱和行为,二者之间存在密切的正相关。 2.不同IMF时钟角下磁层磁场的磁合并线和重联电压 磁合并线即地磁场闭合力线和IMF开放力线的分隔线,它给出磁场重联的发生位置。沿磁合并线的电位降称为重联电压,由它表示总重联率。我们提出了一套诊断方法,确定模拟磁层磁场的磁合并线和计算沿合并线的电势分布,据此计算重联电压。磁合并线由大量地磁场最外闭合力线的最小磁场点和若干合适选择的最外闭合力线连接而成,合并线上的电势分布通过沿径向射线积分对流电场获得。该方法成功用来确定不同IMF时钟角(θ_(IMF))下的磁层磁场的磁合并线和重联电压,从中分析磁合并线的几何位形利重联电压与θ_(IMF))的依赖关系。结果表明:(1)磁层磁场与由地球偶极场和IMF简单叠加而成的合成场具有几何位形大致类似的磁合并线。(2)重联电压与θ_(IMF)之间近似满足sin(θ_(IMF)/2)~(3/2)关系;电离层的越级电位和极盖区边界上的电压随sin(θ_(IMF)/2)~(3/2)的变化呈现不同的规律,一般不能简单用它们取代重联电压来量度总重联率。(3)向阳侧磁合并线电势的最大值和最小值之间的合并线长度与θ_IMF的关系是非单调的,在θ_(IMF)=90°时最长,因此用合并线上的电场来取代重联电压来表征总的重联率和太阳风一磁层耦合程度也不合理。(4)磁合并线上离日下点最近的两个磁零点附近重联电场几乎为零,说明预期在该处发生的反平行重联实际上并未发生,这一结果支持准定态SMI系统的向阳侧磁重联的分量重联假设。 3.低阿尔芬马赫数下舷激波对1区电流的贡献 近期一些研究揭示出舷激波对电离层1区场向电流的重要贡献,指出该贡献与南向IMF强度B_s正相关。本文将这一研究拓宽至低阿尔芬马赫数情况。结果发现,如果M_A>2,舷激波贡献的1区电流I_(1bs)与B_s正相关,与前人结论一致。然而,当M_A接近或低于2时,I_(1bS)的大小及其在总1区电流I_1中所占比例(I_(1bs)/I_1)均随B_s的增大而减小。舷激波日下点的面电流密度和舷激波总电流也有类似变化规律:它随M_A或B_s非单调变化,M_A=2.7时达到最大值。由此我们得到如下结论:(1)相对容易观测的日下点附近的舷激波面电流密度,可以替代舷激波总电流大致反映舷激波的电流特性。(2)当只调节B_s时,舷激波总电流在M_A=2.7附近达到极大值。(3)舷激波电流随M_A的非单调变化导致舷激波对1区电流的贡献出现类似非单调变化,转折点位于M_A=2附近。
【学位授予单位】:中国科学技术大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2009
【分类号】:P353

手机知网App
【引证文献】
中国博士学位论文全文数据库 前1条
1 王合闯;太阳风系统仿真与关键技术研究[D];成都理工大学;2012年
中国硕士学位论文全文数据库 前3条
1 刘金阳;太阳风系统仿真中分布式数据库数据同步的研究与实现[D];成都理工大学;2011年
2 巩贺;利用全球磁层MHD模型研究行星际磁场对地球磁层的影响[D];南京信息工程大学;2012年
3 晏水平;X线区域等离子体对磁重联率的影响[D];南昌大学;2012年
【共引文献】
中国期刊全文数据库 前10条
1 隆辉,许乃怀,胡文瑞;太阳风动量涨落激发磁层亚暴的机制[J];地球物理学报;1985年02期
2 沈长寿;磁暴期间太阳风-磁层-电离层间的耦合过程[J];地球物理学报;1987年04期
3 周晓燕,朱岗崑;太阳风引起的地磁扰动的参数辨识[J];地球物理学报;1992年03期
4 马振国,刘振兴;磁层亚暴与磁层暴(Ⅱ):太阳风参数对D_(st)的影响机制研究[J];地球物理学报;1999年S1期
5 熊明,郑惠南,汪毓明,傅向荣,王水,窦贤康;1998年11月4日至5日日冕物质抛射日地传输时间的数值模拟[J];地球物理学报;2005年04期
6 徐文耀;杜爱民;;磁暴环电流衰减率对磁层能量状态的影响[J];地球物理学报;2010年06期
7 章公亮;陆晨;;太阳耀斑引起的地磁扰动与行星际参量的相关[J];地震地磁观测与研究;1985年02期
8 高玉芬;;太阳风特性的地磁响应[J];地震地磁观测与研究;1988年01期
9 ;Statistical study on great geomagnetic storms during solar cycle 23[J];Earthquake Science;2011年04期
10 黄林,李罗权;具有电子旋转方向的旋转间断的稳定性[J];核聚变与等离子体物理;1989年03期
中国重要会议论文全文数据库 前6条
1 B.T.Tsurutani;;Solar wind energy input during prolonged,intense northward interplanetary magnetic fields:A new coupling function[A];中国科学院地质与地球物理研究所第11届(2011年度)学术年会论文集(中)[C];2012年
2 B.T.Tsurutani;;Anomalous geomagnetic storm of 21-22 January 2005:A storm main phase during northward IMFs[A];中国科学院地质与地球物理研究所2008学术论文汇编[C];2009年
3 徐文耀;杜爱民;;磁暴环电流衰减率对磁层能量状态的影响[A];中国科学院地质与地球物理研究所第十届(2010年度)学术年会论文集(下)[C];2011年
4 杜爱民;赵旭东;徐文耀;;地球磁场模型与变化磁场特征[A];国家安全地球物理丛书(四)——地球物理环境探测和目标信息获取与处理[C];2008年
5 罗浩;陈耿雄;杜爱民;徐文耀;;行星际磁场北向期间太阳风—磁层能量耦合[A];中国地球物理学会第二十七届年会论文集[C];2011年
6 郭建鹏;冯学尚;;ICMEs和鞘区驱动强磁暴期间的能量传输[A];中国地球物理学会第二十七届年会论文集[C];2011年
中国博士学位论文全文数据库 前10条
1 桂彬;日冕物质抛射在太阳大气中的运动学研究[D];中国科学技术大学;2011年
2 唐斌斌;磁层—电离层大尺度电流体系研究[D];中国科学院研究生院(空间科学与应用研究中心);2011年
3 李正;电离层暴及“行星际扰动—磁暴—电离层暴”的观测研究[D];中国科学院研究生院(空间科学与应用研究中心);2011年
4 薛向辉;日冕物质抛射的对地有效性及近地空间环境的研究[D];中国科学技术大学;2007年
5 熊明;一些行星际复合结构的动力学和地磁效应的MHD数值模拟[D];中国科学技术大学;2007年
6 M.N.S.Qureshi;[D];中国科学院研究生院(空间科学与应用研究中心);2007年
7 王晶;日冕物质抛射引起的地磁扰动预报方法研究[D];中国科学院研究生院(空间科学与应用研究中心);2007年
8 申成龙;日冕物质抛射及其空间天气效应研究[D];中国科学技术大学;2008年
9 左平兵;太阳风中中小尺度结构的观测研究[D];中国科学院研究生院(空间科学与应用研究中心);2008年
10 李姗姗;空间信息分布式协同高性能计算框架的初步研究[D];中国地质大学(北京);2009年
中国硕士学位论文全文数据库 前6条
1 罗冰显;冕洞特征参数提取及其与重现型地磁暴关系的统计研究[D];中国科学院研究生院(空间科学与应用研究中心);2006年
2 赵明现;行星际扰动与磁暴关系的统计研究[D];中国气象科学研究院;2006年
3 朱爱琴;极区电离层F层特性的南北极对比研究[D];西安电子科技大学;2008年
4 杨李;ESR IPY观测与PMSE现象研究[D];西安电子科技大学;2009年
5 张海福;电离层中电波传播的时间特性及其衰减预测研究[D];西安电子科技大学;2010年
6 张杨;太阳风的地磁效应与对地球同步轨道高能电子强度影响的研究[D];中国气象科学研究院;2010年
【同被引文献】
中国期刊全文数据库 前10条
1 李扬,耿昌宇,张丽芬;基于Socket通讯模式下的跨平台数据同步[J];北京理工大学学报;2002年01期
2 段孝国;;分布式计算技术介绍[J];电脑知识与技术;2011年22期
3 李泳泉;刘建忠;欧阳自远;郑永春;李春来;;月球磁场与月球演化[J];地球物理学进展;2005年04期
4 徐文耀;杜爱民;白春华;;地球磁层的磁场模型[J];地球物理学进展;2008年01期
5 史建魁,刘振兴;磁层中电离层离子的研究进展[J];地球物理学进展;1995年01期
6 安振昌;中国地区地磁场的球冠谐和分析[J];地球物理学报;1993年06期
7 焦维新,肖佐,C.T.Russell;地球内磁层场向电流的统计特征[J];地球物理学报;1997年04期
8 石勇,魏奉思,冯学尚,叶占银;1997年1月事件行星际扰动在三维背景太阳风中传播的数值模拟[J];地球物理学报;2001年03期
9 史建魁,李纯强,刘振兴;电离层上行O~+离子沿不同经度处的磁力线向磁层的传输[J];地球物理学报;2002年03期
10 郭孝城,陈出新;地球磁层里磁泡的跨尾尺度研究[J];地球物理学报;2002年05期
中国博士学位论文全文数据库 前10条
1 刘朝旭;无碰撞多重X线磁场重联的Hall MHD模拟研究[D];中国科学技术大学;2011年
2 郭九苓;磁尾准稳态结构与动力学过程的研究[D];中国科学院研究生院(空间科学与应用研究中心);2005年
3 黄福成;行星际扰动和电流片相互作用的数值模拟研究[D];中国科学院研究生院(空间科学与应用研究中心);2006年
4 郭孝城;行星际激波与地球磁层作用的全球MHD数值模拟[D];中国科学技术大学;2006年
5 崔海龙;地球磁层等离子体团及通量绳结构的形成与发展研究[D];中国科学技术大学;2005年
6 陈鹏飞;太阳耀斑中磁重联的数值研究[D];南京大学;2002年
7 周煦之;地球磁层能量粒子动力学研究[D];北京大学;2007年
8 丁健;磁重联中的电子加速和动力学Alfvén孤波的数值研究[D];中国科学技术大学;2008年
9 魏勇;太阳风—磁层—电离层电场穿透与屏蔽的观测与模拟[D];中国科学院研究生院(武汉物理与数学研究所);2008年
10 汤朝灵;利用双星和ClusterⅡ等对地球磁层的观测和分析研究[D];中国科学技术大学;2009年
中国硕士学位论文全文数据库 前8条
1 蒲志林;网络环境下分布式数据库同步机制的研究[D];大连海事大学;2003年
2 王旭丹;磁尾磁场重联的二维混合模拟研究[D];大连理工大学;2006年
3 杨恒磊;边界扰动驱动磁场重联[D];大连理工大学;2006年
4 孔令高;快速测量太阳风参数方法研究及FY-2C卫星太阳X射线数据反演[D];中国科学院研究生院(空间科学与应用研究中心);2006年
5 许喆;某外场水下试验平台的视景仿真研究[D];西北工业大学;2007年
6 赵彦;基于GPU技术的增强现实系统[D];电子科技大学;2009年
7 戴婉荣;基于分布式数据库的数据同步机制的研究与应用[D];武汉理工大学;2010年
8 吴宇翔;G/S模式下分布式空间数据服务器群的数据同步研究[D];成都理工大学;2010年
【二级引证文献】
中国硕士学位论文全文数据库 前1条
1 赵民洋;基于NSGA-Ⅱ的放射性废物最小化管理系统的设计与实现[D];南华大学;2012年
【相似文献】
中国期刊全文数据库 前10条
1 魏奉思,胡强,R.Schwenn,冯学尚;太阳风中小尺度湍动磁重联的模拟研究[J];中国科学A辑;1999年11期
2 胡友秋;孙天然;;电离层电导对地球磁层顶和舷激波尺度的影响[J];地球物理学报;2008年02期
3 都亨,李再琨;磁层物理学[J];自然杂志;1980年12期
4 章公亮,徐元芳;背景及扰动太阳风的太阳周变化——超声及无量纲参数[J];科学通报;1988年15期
5 ;太阳地球物理学:问题和前景[J];科技导报;1988年02期
6 陆文松,徐文耀;行星际磁场北向时太阳风-磁层的能量耦合[J];地球物理学报;1996年05期
7 逸尘;;太阳打喷嚏地球会感冒[J];科学大众(中学版);2000年09期
8 魏奉思,冯学尚,杨昉,钟鼎坤;磁云边界层中的等离子体结构[J];科学通报;2004年22期
9 徐文耀;杜爱民;白春华;;地球磁层的磁场模型[J];地球物理学进展;2008年01期
10 张邦维;;俏丽壮观而又迷人的极光[J];大自然;2010年03期
中国重要会议论文全文数据库 前10条
1 胡友秋;孙天然;;电离层电导对磁层顶和舷激波大小的影响[A];第十二届全国日地空间物理学术讨论会论文摘要集[C];2007年
2 史建魁;;火星磁层/电离层及其与太阳风的相互作用[A];中国地球物理·2009[C];2009年
3 郭建广;史建魁;;太阳风方位角流动对中高度极尖区位置的影响[A];中国地球物理学会第二十四届年会论文集[C];2008年
4 杜爱民;赵旭东;王秋军;;电离层电流与Pc5脉动的关系[A];中国地球物理学会第二十四届年会论文集[C];2008年
5 郭建广;史建魁;;中高度极尖区粒子特性研究[A];第十一届全国日地空间物理学术讨论会论文摘要集[C];2005年
6 徐文耀;;中低纬度电离层对太阳风状态的响应[A];中国科学院地球物理研究所论文摘要集(1985)[C];1989年
7 燕广庆;;IMF北向期间高纬磁重联引起的太阳风向磁层的传输[A];中国地球物理学会第二十四届年会论文集[C];2008年
8 周晓燕;董爱英;C.T.Russell;;太阳风对地球磁尾位形的控制和影响[A];1997年中国地球物理学会第十三届学术年会论文集[C];1997年
9 滕荣荣;刘耀炜;赵谊;马玉川;;强震地壳逸出氡和电离层异常耦合关系的讨论[A];中国地震学会成立三十年学术研讨会论文摘要集[C];2009年
10 熊超超;;临近空间军事应用与探测方法简介[A];第27届中国气象学会年会大气物理学与大气环境分会场论文集[C];2010年
中国重要报纸全文数据库 前10条
1 记者 陈玉明 何宗渝;正值太阳风年,“嫦娥二号”处境恶劣[N];新华每日电讯;2010年
2 记者 常丽君;科学家揭示太阳风日地之旅详细过程[N];科技日报;2011年
3 本报驻美国记者 毛黎;高天劲吹太阳风[N];科技日报;2011年
4 刘海英;地球的“外衣”正在逐渐变薄[N];科技日报;2009年
5 ;钻进太阳风——“束群二号”卫星[N];中国机电日报;2001年
6 张加好;太阳风风行九州不是梦[N];农民日报;2000年
7 ;濮祖荫:揭示地球空间能量传输过程的奥秘[N];科技日报;2003年
8 毛黎;扬起太阳系的远航之“帆”[N];科技日报;2008年
9 余秋雨;《“太阳风”中学生随笔系列》序[N];中华读书报;2002年
10 ;“旅行者1号”逃离太阳风[N];北京日报;2010年
中国博士学位论文全文数据库 前10条
1 彭忠;太阳风—磁层—电离层耦合的全球MHD数值模拟研究[D];中国科学技术大学;2009年
2 郭孝城;行星际激波与地球磁层作用的全球MHD数值模拟[D];中国科学技术大学;2006年
3 张清和;日侧磁层顶磁重联过程的卫星和地面联合观测研究[D];西安电子科技大学;2008年
4 崔海龙;地球磁层等离子体团及通量绳结构的形成与发展研究[D];中国科学技术大学;2005年
5 杨亚芬;地球、木卫一、土卫六磁层的初步研究[D];中国科学技术大学;2009年
6 林瑞淋;三维非对称磁层顶模型建模研究[D];中国科学院研究生院(空间科学与应用研究中心);2009年
7 姚丽;基于双星计划TC-1卫星观测的近地磁尾动力学研究[D];中国科学院研究生院(空间科学与应用研究中心);2009年
8 钟鼎坤;行星际中小尺度结构的综合研究[D];中国科学院研究生院(空间科学与应用研究中心);2007年
9 杜艰;太阳风、弓激波前兆区和磁鞘区中低频波动的研究[D];中国科学院研究生院(空间科学与应用研究中心);2008年
10 郭九苓;磁尾准稳态结构与动力学过程的研究[D];中国科学院研究生院(空间科学与应用研究中心);2005年
中国硕士学位论文全文数据库 前10条
1 刘慧莲;基于全球磁层MHD模拟数据的磁层顶位形研究[D];中国科学院研究生院(空间科学与应用研究中心);2009年
2 李凌寒;磁层顶附近流场剪切度[D];中国科学院研究生院(空间科学与应用研究中心);2008年
3 张艺腾;火星背阳面电子沉降对电离层的影响[D];中国科学院研究生院(空间科学与应用研究中心);2008年
4 刘子谦;磁层顶三维数值模型[D];郑州大学;2010年
5 崔伟;MHD方法模拟月球对太阳风的扰动[D];中国科学院研究生院(空间科学与应用研究中心);2007年
6 晏水平;X线区域等离子体对磁重联率的影响[D];南昌大学;2012年
7 李志涛;基于神经网络的AE、AL指数预报方法研究[D];中国科学院研究生院(空间科学与应用研究中心);2007年
8 朱春明;行星际磁云边界层中的电子分布函数特征[D];中国科学院研究生院(空间科学与应用研究中心);2008年
9 段俊涛;磁尾爆发性整体流(BBF)与中低纬Pi2脉动关系的研究[D];中国科学院研究生院(空间科学与应用研究中心);2007年
10 巩贺;利用全球磁层MHD模型研究行星际磁场对地球磁层的影响[D];南京信息工程大学;2012年
 快捷付款方式  订购知网充值卡  订购热线  帮助中心
  • 400-819-9993
  • 010-62791813
  • 010-62985026